低温排液管道气封高度的计算

于明彬

[液化空气(杭州)有限公司，浙江 杭州 310012]



低温排液管道气封高度的计算

于明彬

[液化空气(杭州)有限公司，浙江 杭州 310012]

通过理论分析，对低温排液管道气封高度的确定给出了计算方法，并选定计算参数进行了计算，分析了影响液柱高度的因素，设计者可以参考该计算方法并结合确定的各种参数来确定气封的高度，以免造成低温管道跑冷结霜，降低设备的运行效率，甚至危及设备的安全运行。

低温管道；排液；气封

空分设备在检修时需要将其设备或管道内的低温液体排掉并复热到常温，然后再进行检修。所以在设备或管道的低点要设置排液管道[1]，排液管道的设置一般是从主管引出后先垂直向上，然后再引向冷箱面板，出面板后加一个手动阀门，需要排液时便打开该阀门，如图1(a)所示，这样的布置可以自然形成气封，靠近面板处管道内部以气态存在，低温液体只存在于远离面板的竖直管道内。但有时为了阀门操作等原因，会使管道在出面板前向下走一段，如图1(b)所示，此时更要确保低温液体不能超过管道最高点，不然会形成热管效应，造成持续跑冷而导致管道结霜[2]。所以竖直管道段的高度设置非常关键，本文通过计算排液管道的温度分布来确定液柱的位置，管道的布置应该使低温液体在各种工况下都不会超过管道最高点，从而形成有效的气封，减少管道的跑冷，防止结霜。

图1　排液管道布置示意图

1　计算公式的建立与求解

以排液管道及其内部介质为整体研究对象，平衡态下管道的换热由三部分组成，一是通过管壁的热传导，二是通过管道外表面与外界的热对流，三是管道的热辐射。热辐射也是通过管道外表面进行的，可以将其效应和热对流统一为复合表面换热。为简化分析，作以下假设：1. 排液管道温度分布只沿管道轴向变化，沿管壁径向方向温度没有变化；2. 材料导热系数及复合表面换热系数均为常数。则可以将所研究的问题简化为一维稳态热传导问题，导热微分方程可写为[3]：

(1)

式中，h为复合表面换热系数，P为管道外壁周长，t∞为环境温度，λ为管道的导热系数，A为管壁横截面积。

引入过余温度θ=t-t∞，将其化为关于温度t的二阶齐次常微分方程

(2)

t=θ+t∞，即为温度沿管道的分布。

对于特定的低温液体，若已知其压力，则可求得饱和温度[4]，然后由管道中温度的分布则可以计算出液柱的高度：

2　计算参数的变化与结果分析

除了研究计算参数变化的影响时给出变化值，其余参数选取液氮温度为tN=-195℃，液氧温度tO=-180℃，环境温度为t∞=20℃，管径为DN=15 mm，壁厚为2.11 mm，导热系数取不锈钢材料在研究温度范围内的平均值λ=12.2 W/(m·K)，排液管道从主管外壁到面板处总长度为1000 mm。

图2　管道中温度分布

当主管道中为液氧介质时，由图2可以看出，管道中的温度随着管道长度增加而升高，直到升高至面板处的大气温度。管道的导热系数为定值，换热系数的大小影响温度升高的速度，换热系数较小时，通过管道外表面换热较少，温度升高较慢，随着换热系数增大，管道外表面换热增多，温度升高越快。复合表面换热是由管道外表面进行的热对流和热辐射，系数的大小和绝热材料的导热能力、颗粒大小、填实度以及冷箱内保护气流通的速度有关，也受介质与环境之间的温度差及保温材料的厚度影响。因为管道在冷箱内是包围在绝热材料中间的，所有管道外表面散发的热量都要通过绝热材料传导到冷箱面板，可以根据实际管道的布置和采用的绝热材料性能，通过计算绝热材料的导热量来合理确定复合换热系数的大小。

2.1复合表面换热系数对液柱高度的影响

复合表面换热系数对液柱高度的影响见图3。由图3可知，低温介质为液氮时液柱随着压力的升高而增加，因为压力升高其沸点也升高，当达到临界压力时，此时气液表面对应的为临界温度，液柱高度达到最大值，此后管道中的温度进一步升高，介质以气态存在。不同的换热系数液柱高度也不同，随着换热系数的变小而增大，通过图2中温度的分布我们可以知道，换热系数较小时温度升高较慢，故而造成液柱高度变大。对于液氧我们可以得到相同的变化趋势。比较液氮和液氧液柱高度分布可以看出，在给定的计算参数下，同等压力时液氮液柱的高度要比液氧略小，这是因为同等压力时，液氮的沸点要高于液氧，所以液氮达到气液平衡点的温度要低，当然也和主管中的介质源温度有关。同时，液氧的临界压力和临界温度均高于液氮，所以液氧的液柱高度最大值也高于液氮。可以推知，若介质为氧氮混合液体比如液体空气，其液柱高度则介于纯氮和纯氧液柱高度之间。

图3　复合表面换热系数对液柱高度的影响

2.2排液管道长度对液柱高度的影响

排液管道长度对液柱高度的影响见图4。由于低温设备或管道在冷箱内的位置以及引出面板的位置不同，所布置的管道长度也会有所不同，短的不到1 m，长的超过10 m。通过图4可以看出，低温液体为液氮时，同等压力下比较L=650 mm和L=1000 mm可知，随着管道的增长，液柱高度在增加，而当管道进一步增长至L=5000 mm时，液柱略微增高，但不明显。而对于液氧，由于其蒸发温度比液氮高，增加L=2000 mm长度，此时其液柱高度也基本达到稳定。当管道比较短时，管道的温度分布在饱和温度处受沿管壁的热传导和表面传热影响，随着管道伸展长度增加，环境温度通过管壁热传导传递过来的热量减少，饱和温度处温度主要靠表面传热达到，和表面传热系数及外表面积大小有关，所以当管道长度增加到饱和温度处的温度基本不受外界温度热传导的影响时，再增加管道长度，液柱高度也会基本保持稳定。虽然液柱高度有一定值，可以保证正常运行时液柱不会超过最高点造成管道结霜，但当管道有向下走向的布置时，其长度也不宜过长，原因是设备运行时，有可能出现压力不稳定，或者刚开车时阀门存在没关紧等情况，致使管道中存在低温液体，此时采取相应措施可以使存在的液体蒸发回到主管再冷凝成液体，在排液管中建立有效的气封。而当竖直向下管道过长时，蒸发低温液体需要的时间长，可能使管道结霜从而影响进一步吸热蒸发，影响管道中的温度分布，甚至很难建立有效气封，另外当管道中为液氧时大量低温液体蒸发还会有碳氢化合物积聚的风险。

图4　排液管道长度对液柱高度的影响

2.3管径大小对液位高度的影响

管径大小对液位高度的影响见图5。根据排液量的大小，管径选取一般从DN15到DN80变化。由图5可以看出，对于同等压力，管径变大时液柱高度也增大。通过温度分布的计算公式可以知道，热量的传递是由管壁沿轴向的热传导和外表面的热交换完成的，分析计算所选取的三个管径，随着管径的增大使得管壁导热面积增大，导热热阻减小。同时，管道的外表面积增大，散热量增加。但在选定的计算参数下，导热热阻减小的速率要快于表面换热热阻减小的速率，所以随着管径的增加，液柱高度有所增加。

图5　管径对液柱高度的影响

2.4环境温度对液柱高度的影响

环境温度对液柱高度的影响见图6。不同地区的环境温度是不同的，同一地区不同季节或者一天中不同时间的温度也是不同的，选取从-20～20℃的外界温度变化。由图6可知，随着外界温度的降低液柱高度会增加。因为外界温度的降低导致热量通过管壁导热的速度变小，排液管道温度变化的曲率减小，故气液平衡点的高度增加。一旦低温液体到达最高点将会沿着管道流向冷箱外，低温的管道将会把空气中的水分凝华在管壁上。这也是有些空分装置低温排液管道在夏天运行时没有问题，而在寒冷的冬天则会有结霜的现象发生的原因。

图6　环境温度变化对液柱高度的影响

通过以上计算和分析可知，液柱高度的大小和管径、环境温度及复合表面换热系数等相关，另外文中计算是以不锈钢的导热系数来计算的，若是铝管道的导热系数会远大于不锈钢，同等条件下液柱高度也会大于不锈钢管道的液柱高度。计算没

有考虑排液管道附近其他冷源的存在，若有低温管道与排液管道较近布置时则会影响排液管道中的温度分布，使得液柱升高，所以排液管道达到设计高度后一般尽快引向面板，同时避免靠近其他低温管道。对于管道的布置方式，文中假设管道的布置是垂直向上到一定高度后水平引到冷箱面板，实际上引向面板的管道若是带有水平向上的坡度，然后再沿面板布置一段管道，排液管道的最高点则位于近面板处，这样只要确保低温液体不超过该最高点即可防止管道结霜，此时文中计算的液柱高度可以等同为液柱长度(允许其超过第一个拐弯点而存在于坡度管内)，并且管道越靠近冷箱面板，绝热材料厚度越小，管道的表面换热系数越大，使得管道升温越快，管道内存在低温液体的可能性越小，可以更有效防止管道结霜。

3　结束语

排液管道的设计要使得其形成有效的气封，不能让低温液体流到冷箱面板处以造成跑冷结霜，或者当有向下管道段时形成热管效应，除了跑冷结霜外，当介质为液氧时还存在碳氢化合物积聚的风险。文中介绍了低温排液管道的布置方式，给出了低温液柱高度或长度的计算公式，并以液氮和液氧为低温介质，计算出了其在不同压力及不同变化参数下的液柱高度。根据计算结果，分析了低温液体在管道中高度变化的原因，为低温排液管道的合理设计、形成有效的气封、避免跑冷结霜提供了理论依据。

[1] 李化治. 制氧技术[M]. 北京：冶金工业出版社, 2009.

[2] 项文娟, 朱明彦, 李志强, 等. 低温液体泵冷箱加温解冻管道结冰现象研究和分析[J]. 深冷技术, 2015(2): 54-57.

[3] 杨世铭，陶文铨. 传热学[M]. 北京：高等教育出版社, 2005.

[4] DEAN John A. Lange’s handbook of chemistry [G]. New York: McGraw-Hill, INC, 1999.

Calculation of the Height Forming Gas Block for Cryogenic Drainage Pipe

YU Mingbin

[Air liquid (Hangzhou) Co., Ltd., Hangzhou 310012, China]

Through theoretical analysis, it gives a method to determine the height forming natural gas block for cryogenic drainage pipe, then a set of parameters were selected to calculate. According to this result, factors affecting the height of cryogenic liquid were analyzed. Designer can refer to the calculation method providing in this article and their parameters to set the drainage height to avoid losing cold and frosting, which also could decrease the efficiency of plant and even cause plant safety issues.

cryogenic pipe; drainage; gas block

2016-05-27

TQ050.7

A

1007-7804(2016)04-0012-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.04.004

于明彬(1984)，男，山东济宁人，工程师。从事压力管道设计工作。